| Date: |
2026 |
| Abstract: |
L'amoníac (NH3) és essencial per a la producció de fertilitzants nitrogenats que permeten mantenir els rendiments agrícolas. Tanmateix, el procés convencional de Haber-Bosch és altament intensiu en energia i contribueix a les emissions de gasos amb efecte hivernacle. Les aigües residuals representen una font prometedora de nitrogen amoniacal total (TAN) per a la seva recuperació. Els sistemes bioelectroquímics (BES) han emergit com una solució eficaç per a la recuperació de TAN, ja que presenten un consum energètic inferior als processos convencionals, evitant també la necessitat d'addició de productes químics. Un BES de tres cambres (3C-BES) amplia aquest concepte afegint una cambra de recuperació, separada del càtode mitjançant un component innovador: un elèctrode de difusió de gasos (GDE). Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar un 3C-BES per a la recuperació energèticament eficient de TAN avaluando els efectes dels materials de la CEM i dels elèctrodes, la concentració i composició de la solució de recuperació, els temps de retenció hidràulica (HRT) i les característiques de les aigües residuals sobre la recuperació de TAN. Els capítols 1 i 2 presenten el context i els objectius de la investigació. El capítol 3 detalla la configuració experimental i la metodologia utilitzada per avaluar el rendiment del 3C-BES, incloent la configuració del sistema, els materials de membrana, la preparació dels GDE i les condicions d'operació. Al capítol 4, la replicació d'experiments d'un 3C-BES de prova de concepte va posar de manifest els principals reptes operatius per a la recuperació de TAN: potencials anòdics, inhibició per TAN, estabilitat química de la CEM a pH alcalí i estabilitat del catalitzador catòdic HER. El capítol 5 va a avaluar la influència de la selecció de la CEM i dels materials del GDE en l'eliminació i recuperació de TAN. Experiments a llarg termini combinant Ralex® amb un GDE de níquel en operació contínua van aconseguir una taxa màxima de recuperació de TAN (Rrec) de 83,9 gN/m2/d i una mitjana de 44,2 ± 18,3 gN/m2/d durant 90 dies, amb densitat de corrent de 3,0 ± 0,3 A/m2 i el menor consum energètic específic (1,5 ± 0,5 kWh/kgN). Al capítol 6 es va avaluar l'efecte de la composició de la solució de recuperació utilitzant àcid sulfúric, fosfòric i nítric a diverses concentracions. L'àcid nítric a 1,2 M va mostrar el millor rendiment. Els efluents recuperats van mostrar un ampli rang de pH (1-10) i concentració de NH4+ (2,8-11,0 gNH4+-N/L), permetent la seva adaptació per a aplicacions posteriors. El capítol 7 va investigar la influència del voltatge aplicat, la càrrega orgànica (OLR) i els HRT de l'ànode (HRTANO) i de la cambra de recuperació (HRTRE) sobre l'eliminació i recuperació de TAN. La densitat de corrent i el transport de TAN van augmentar amb el voltatge aplicat fins a un interval favorable de 0,8-1,0 V. Una OLR intermèdia (0,3 kg COD/m3/d) va produir la millor remoció de TAN amb un consum energètic razonable. El HRTANO més llarg (8 dies) va millorar l'eficiència de remoció i reduir el consum d'energia. Reduir HRTRE va incrementar tN. Al capítol 8, es va avaluar el rendiment del 3C-BES optimitzat amb tres matrius d'aigües residuals: efluents de digestor, aigües de rebuig modificades i aigües residuals sintètiques. Efluents de digestor va mostrar els valors més baixos Rrec (<1 gN/m2/d). L'addició d'acetat de sodi a aigües de rebuig va millorar l'eficiència de remoció de TAN, tot i que les taxes de recuperació van seguir sent limitades. El millor rendiment es va aconseguir amb aigües residuals sintètiques. Aquests resultats confirmen que les concentracions de TAN i COD soluble són factors clau en el rendiment de recuperació de TAN. |
| Abstract: |
El amoníaco (NH3) es esencial para la producción de fertilizantes nitrogenados que permiten sostener los rendimientos agrícolas; sin embargo, el proceso convencional de producción de NH3 (Haber-Bosch) es altamente intensivo en energía y contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero. Las aguas residuales ricas en nitrógeno constituyen fuentes alternativas de nitrógeno amoniacal total (TAN). Entre las tecnologías emergentes, los sistemas bioelectroquímicos (BES, por sus siglas en inglés) permiten la recuperación de TAN con menor consumo energético y sin la adición de productos químicos. Esta tesis tiene como objetivo desarrollar un BES de tres compartimentos (3C-BES) para la recuperación de TAN, evaluando los efectos de las membrana de intercambio catiónico (CEM), materiales de los electrodos, así como de la concentración y la composición de la solución de recuperación, los tiempos de retención hidráulica (HRT) y las características del agua residual, sobre la recuperación de TAN. Los capítulos 1 y 2 introducen el contexto y los objetivos de la investigación. El Capítulo 3 describe el diseño experimental, la configuración del sistema, los materiales, las condiciones de operación y los métodos analíticos empleados. En el Capítulo 4, la réplica de los experimentos de la prueba de concepto evidenció los principales desafíos operativos para la recuperación de TAN. Los principales desafíos fueron la limitación del potencial anódico, la inhibición por TAN y la estabilidad de la CEM y del catalizador catódico. En el Capítulo 5, se evaluó la influencia de la selección de la CEM y de los materiales de los electrodos de difusión de gas (GDE, por sus siglas en inglés) en la eliminación y recuperación de TAN. Experimentos a largo plazo que combinaron Ralex® con un Ni-PTFE-GDE, operando la cámara de recuperación operada en modo continuo, alcanzaron una tasa máxima de recuperación de TAN (Rrec) de 83,9 gN/m2/d y un promedio de 44,2 ± 18,3 gN/m²/d durante 90 días, con una densidad de corriente de 3,0 ± 0,3 A/m² y el menor consumo energético específico (1,5 ± 0,5 kWh/ kgN). En el Capítulo 6, se evaluó el efecto de la composición de la solución de recuperación sobre la recuperación de TAN utilizando ácidos sulfúrico, fosfórico y nítrico a diferentes concentraciones. El ácido nítrico a 1,2 M mostró el mejor rendimiento en términos de recuperación de TAN y de consumo energético. Los experimentos demostraron que los efluentes recuperados presentaron un amplio rango de pH (1-10) y concentraciones de NH4+(2,8-11,0 g NH₄⁺-N/L), lo que permite diversas aplicaciones posteriores. En el Capítulo 7, se investigó la influencia del voltaje aplicado a la celda, la carga orgánica (OLR) y los tiempos de retención hidráulica del ánodo (HRTANO) y de la cámara de recuperación (HRTRE) sobre la eliminación y recuperación de TAN. La densidad de corriente y el transporte de TAN aumentaron con el voltaje aplicado hasta alcanzar una ventana favorable de 0,8-1,0 V. Una OLR intermedia (0,3 kg DQO/m3/d) produjo la mejor eliminación de TAN con un consumo energético razonable. Un HRTANO más corto (1 día) incrementó las tasas de eliminación. La reducción del HRTRE mejoró el tN. En el Capítulo 8 se evaluó el rendimiento del 3C-BES mediante tres matrices de aguas residuales. El agua residual de digestor mostró la menor Rrec (< 1 gN/m²/d). La adición de acetato de sodio al agua de rechazo mejoró la eficiencia, aunque las Rrec siguió limitada. El mejor rendimiento se obtuvo con el agua residual sintética. Estos hallazgos confirman que las concentraciones de TAN y de DQO soluble son factores clave que determinan el rendimiento de la recuperación de TAN en los 3C-BES. |
| Abstract: |
Ammonia (NH3) is essential for producing nitrogen-based fertilizers to sustain crop yields and global food production. However, the conventional Haber-Bosch process is highly energy-intensive and contributes to greenhouse gas emissions. Wastewater streams rich in nitrogen are promising sources of total ammoniacal nitrogen (TAN) for recovery. Among emerging technologies, Bioelectrochemical systems (BESs) have emerged as an effective solution for TAN recovery from wastewater, offering lower energy consumption than conventional chemical methods and avoiding the need for extra chemical addition. This thesis aims to develop a 3C-BES for energy-efficient TAN recovery from synthetic and real wastewaters using different operational and engineering strategies. This research evaluates the effects of CEM and electrode materials, recovery solution concentration and composition, hydraulic retention times (HRTs), and wastewater characteristics on TAN recovery. Chapters 1 and 2 introduce the context and objectives of the research, highlighting the global need for sustainable ammonia recovery and the potential of nitrogen-rich wastewaters. Chapter 3 describes the experimental setup, system configuration, materials, operating conditions, and analytical methods used to assess performance. In Chapter 4, the replication of experiments from a proof-of-concept 3C-BES highlighted the critical operational challenges for TAN recovery. Key issues identified included reaching anodic potentials that support the formation of electroactive biofilms, TAN inhibition, the chemical stability of the CEM at alkaline pH, and stability of the cathodic HER catalyst. Experimental results demonstrated that maintaining a low anodic potential and gradually increasing the ammonium concentration during inoculation were essential for achieving stable cathodic performance and effective TAN recovery. In Chapter 5, the influence of CEM selection and GDE electrode materials on TAN removal and recovery was systematically assessed. Long-term experiments combining Ralex® with a nickel-based gas diffusion electrode (Ni-PTFE-GDE) with recovery chamber under continuous operation achieved a maximum TAN recovery rate (Rrec) of 83. 9 gN/m2/d and an average of 44. 2 ± 18. 3 gN/m2/d over 90 days, with a current density of 3. 0 ± 0. 3 A/m2 and the lowest specific energy consumption (1. 5 ± 0. 5 kWh per kg of N recovered), highlighting the synergistic effect of material selection and operational mode. In Chapter 6, the effect of the recovery solution composition on TAN recovery was assessed using sulfuric, phosphoric, and nitric acids at varying concentrations. Nitric acid at 1. 2 M yielded the highest performance in terms of TAN recovery and energy consumption. The experiments demonstrated that recovered effluents showed a wide pH range (1-10) and NH4+ concentration (2. 8-11. 0 g NH4+-N/L), allowing potential customization for downstream applications. In Chapter 7, the influence of applied cell voltage, organic loading rate (OLR), and HRTs of the anode (HRTANO) and recovery chamber (HRTRE) on TAN removal and recovery performance was investigated. Current density and TAN transport increased with applied voltage up to a favorable window of 0. 8-1. 0 V. Intermediate OLR (0. 3 kg COD/m3/d) yielded the best TAN removal with reasonable energy consumption. Shorter HRTANO (1 day) boosted removal rates. Shortening HRTRE enhanced tN. In Chapter 8, the performance of the 3C-BES was evaluated using three wastewater matrices. Digested wastewater exhibited the lowest TAN removal and recovery rate (< 1 gN/m2/d). Amending a reject wastewater with sodium acetate improved TAN removal efficiency, although removal and recovery rates remained limited. The best performance was achieved with SWW. These findings confirm that TAN and soluble COD concentrations are key drivers of TAN recovery performance in 3C-BESs. Overall, this research demonstrates that a 3C-BES using a GDE with appropriate electrode and membrane materials, recovery solutions, and operational conditions, can achieve efficient and energy-effective TAN recovery from both synthetic and real wastewaters. |
| Note: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència i Tecnologia Ambientals |
| Rights: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Language: |
Anglès |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Subject: |
Recuperació ;
Recovery ;
Recuperación ;
Bioelectroquimica ;
Bioelectrochemistry ;
Bioelectroquímica ;
Amoníac ;
Ammonia ;
Amoníaco ;
Tecnologies |
guest ::
dir.
